CN101145590A - 一种量子点材料结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子点材料结构，该结构包括：用于支撑整个量子点材料结构的砷化镓GaAs衬底(10)；在GaAs衬底(10)上生长的外延层结构，包括缓冲层(11、12、13)和InAs量子点层(14)；其中，所述缓冲层包括在衬底上依次生长的GaAs缓冲层(11)、InxGa1－xAs阶变缓冲层(12)和InyGa1－yAs单一成分层(13)，InAs量子点层(14)生长在InyGa1－yAs单一成分层(13)之上。本发明同时公开了一种量子点材料结构的生长方法。利用本发明，实现利用简单的工艺制备大面积的有序分布的量子点，工艺简单，不需要生长前对基体进行特殊处理工艺，与分子束外延工艺完全兼容。同时易于大面积制备有序排列的自组织量子点阵列材料，对于量子点材料在未来量子器件中的应用具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及低维半导体结构量子点材料定位生长和工艺控制技术领域，尤其涉及一种以原位技术定位生长的量子点材料结构及其生长方法。
背景技术
半导体量子点低维纳米结构材料由于其独特的电子结构和态密度，呈现出优异的光电特性，在未来纳米电子学，光子学等领域有十分重要的应用前景。理论预计量子点激光器在很多方面要比量子阱激光器具有更优越的性能，如更高增益、更低阈值电流、更高量子效率及热稳定性更好等。此外利用量子点中电子的“隧穿”效应，可以精确控制进入或离开量子点电子数目至单电子精度，从而可制作单电子晶体管。量子点还有望应用于固态量子计算、垂直入射光探测器等。
S-K模式自组织生长是目前国内外材料学家研究最多的，且具有重要应用价值的量子点材料制备方法。这种方法能够制备出无位错缺陷，高面密度的量子点材料。但也存在其固有的缺点，以S-K模式生长的量子点成核在二维生长表面随机分布，导致量子点位置的无序性和尺寸的涨落，这都大大影响了量子点材料的光电特性。尺寸的涨落，能够导致量子点发光锋位的非均匀展宽，影响了量子点激光器阈值电流密度的降低。
另外，单电子晶体管和单电子存储器等器件对量子点的分布有特殊的要求。以S-K模式生长的量子点在二维平面上的无序分布阻碍了其在这些领域中的应用。所以，量子点的定位生长对量子点材料在光电器件中的研究和应用具有十分重要的意义。
目前用于量子点定位生长控制的方法主要分为两类。一类是通过图形化衬底，在生长之前在衬底上利用光刻等方法制备规则的图案，然后以这种图案作为模板对量子点的成核位置进行控制。这种方法的优点是能够对量子点的位置较精确地控制，缺点是工艺过程复杂，制备过程容易导致基体损伤并产生大量晶体缺陷，大大影响了量子点的光电特性。另外，生长前对基体需要复杂的处理过程，从而容易产生杂质污染，与超高真空的分子束外延生长工艺不兼容。
另一类方法不需要生长之前对基体的特殊处理，通过失配体系产生的规则位错网格或临位面台阶等对量子点成核位置进行控制。这种方法虽然避免了生长之前对基体处理所带来的污染和缺陷，但这种方法对量子点位置分布的控制不是很理想。另外，以位错网格定位的量子点因离位错距离较近也影响了量子点的光电性能。
因此，如何利用较简单的工艺制备大面积的有序分布的量子点成为了目前半导体低维纳米结构材料的前沿和热点研究领域。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种量子点材料结构，以实现利用简单的工艺制备大面积的有序分布的量子点。
本发明的另一个目的在于提供一种量子点材料结构的生长方法，以实现利用简单的工艺制备大面积的有序分布的量子点。
(二)技术方案
为达到上述一个目的，本发明提供了一种量子点材料结构，该结构包括：
用于支撑整个量子点材料结构的砷化镓GaAs衬底(10)；
在GaAs衬底(10)上生长的外延层结构，包括缓冲层(11、12、13)和InAs量子点层(14)；
其中，所述缓冲层包括在衬底上依次生长的GaAs缓冲层(11)、InxGa1-xAs阶变缓冲层(12)和InyGa1-yAs单一成分层(13)，InAs量子点层(14)生长在InyGa1-yAs单一成分层(13)之上。
所述GaAs衬底为(001)临位面GaAs衬底，向[100]方向偏2至4°。
所述GaAs缓冲层(11)的厚度为200至300nm；
所述InxGa1-xAs阶变缓冲层(12)的x从0至0.03变化到0.24至0.27；
所述InyGa1-yAs单一成分层(13)的0.24≤y≤0.27，且y≤x，InyGa1-yAs单一成分层厚度为200至400nm。
所述InAs量子点层(14)为单层或多层结构，当InAs量子点层(14)为多层结构时，多层InAs量子点层之间以InyGa1-yAs为间隔层，InyGa1-yAs间隔层的厚度为30至50nm，每层InAs量子点层淀积厚度为2.4至2.8ML。
为达到上述另一个目的，本发明提供了一种量子点材料结构的生长方法，该方法包括：
A、在GaAs衬底上生长厚度为200至300nm的GaAs缓冲层；
B、在GaAs缓冲层上生长InxGa1-xAs阶变缓冲层；
C、在InxGa1-xAs阶变缓冲层上生长厚度为200至400nm的InyGa1-yAs单一成分层；
D、在InyGa1-yAs单一成分层上生长InAs量子点层。
步骤A中所述在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层的生长温度为600至610℃，生长速率为0.6至0.9μm/h，砷压为5×10-6至7×10-6托。
所述步骤A与步骤B之间进一步包括：生长停顿5至10min，同时将衬底温度降为400至430℃。
步骤B中所述在GaAs缓冲层上生长InxGa1-xAs阶变缓冲层的生长速率为0.4至0.6μm/h，砷压为4×10-6至6×10-6托，InxGa1-xAs阶变缓冲层中In含量x的变化速率为0.3至0.4/μm。
所述步骤B与步骤C之间进一步包括：生长停顿2至3min，同时将衬底温度升高至450至475℃。
步骤C中所述在InxGa1-xAs阶变缓冲层上生长InyGa1-yAs单一成分层的生长速率为0.4至0.6μm/h，砷压为4×10-6至6×10-6托。
所述步骤C与步骤D之间进一步包括：将衬底温度升至495至500℃。
步骤D中所述在InyGa1-yAs单一成分层上生长InAs量子点层的生长温度为495至500℃，生长速率为0.1至0.2μm/h，砷压为3×10-6至5×10-6托；
当InAs量子点层为多层结构时，多层InAs量子点层之间的InyGa1-yAs间隔层的生长温度为450至475℃，生长速率为0.4至0.6μm/h。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用成分阶变缓冲层结构，将位错抑制在缓冲层内，在GaAs基体上生长了高质量的弛豫InGaAs层。通过对生长条件的优化，在弛豫InGaAs三元化合物中产生横向([110]方向)的周期性应力调制，这种横向的应力调制对量子点的成核具有约束作用，使量子点沿垂直于调制方向([1-10]方向)排列。另外，量子点还自发形成沿[100]和[010]方向的排列，这样就形成了六角排列分布的量子点阵列。
2、本发明利用失配阶变缓冲层结构形成的原子级台阶，在合适的工艺条件下，能够促使其上生长的弛豫InGaAs三元化合物形成周期排列的应力调制结构。以这种结构作为模板，结合量子点因弹性相互作用能而沿[100]和[010]方向的自发排列，能够形成周期分布的量子点阵列。
3、本发明提供的这种量子点材料结构的生长方法，工艺简单，不需要生长前对基体进行特殊处理工艺，与分子束外延工艺完全兼容。同时易于大面积制备有序排列的自组织量子点阵列材料。
4、本发明提供的这种量子点材料结构的生长方法，对于量子点材料在未来量子器件中的应用具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明提供的量子点材料结构的示意图；
图2本发明利用InGaAs层自发的周期性应力调制定位生长量子点的示意图；
图3为本发明提供的生长量子点材料结构的方法流程图；
图4为依照本发明实施例量子点材料结构的示意图；
图5为依照本发明实施例样品沿[1-10]方向观察获得的透视电镜暗场象；
图6为依照本发明实施例样品表面量子点AFM象。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的核心思想是：采用成分阶变缓冲层结构，将位错抑制在缓冲层内，在GaAs基体上生长了高质量的弛豫InGaAs层。通过对生长条件的优化，在弛豫InGaAs三元化合物中产生横向([110]方向)的周期性应力调制，这种横向的应力调制对量子点的成核具有约束作用，使量子点沿垂直于调制方向([1-10]方向)排列。另外，量子点还自发形成沿[100]和[010]方向的排列，这样就形成了六角排列分布的量子点阵列。
如图1所示，图1为本发明提供的量子点材料结构的示意图，该量子点材料结构包括GaAs衬底(10)和在GaAs衬底(10)上生长的外延层结构。
其中，GaAs衬底(10)用于支撑整个量子点材料结构，为(001)临位面GaAs衬底，向[100]方向偏2至4°。
在GaAs衬底(10)上生长的外延层结构包括缓冲层(11、12、13)和InAs量子点层(14)。所述缓冲层包括在衬底上依次生长的GaAs缓冲层(11)、InxGa1-xAs阶变缓冲层(12)和InyGa1-yAs单一成分层(13)，InAs量子点层(14)生长在InyGa1-yAs单一成分层(13)之上。
所述GaAs缓冲层(11)的厚度为200至300nm，所述InxGa1-xAs阶变缓冲层(12)的x从0至0.03变化到0.24至0.27，所述InyGa1-yAs单一成分层(13)的0.24≤y≤0.27，且y≤x，InyGa1-yAs单一成分层厚度为200至400nm。
所述InAs量子点层(14)可以为单层或多层结构。当InAs量子点层(14)为多层结构时，多层InAs量子点层之间以InyGa1-yAs为间隔层，InyGa1-yAs间隔层的厚度为30至50nm，每层InAs量子点层淀积厚度为2.4至2.8ML。
基于图1所述的量子点材料结构示意图，图2示出了本发明利用InGaAs层自发的周期性应力调制定位生长量子点的示意图，即本发明提供的生长量子点材料结构的原理图；其中，图2中黑白相间的条纹代表应力的周期分布。
在GaAs(001)邻位面衬底上生长InGaAs阶变缓冲层，在此基础上生长弛豫的InGaAs层。阶变缓冲层生长过程中形成的周期分布起伏能够形成沿[1-10]方向的台阶，在这种台阶的促进下，InGaAs层能自发地形成沿[110]方向的组分调制，从而形成沿[110]方向周期良好的应力调制。在这种具有周期应力调制的缓冲层结构的影响下，量子点成核沿垂直于调制方向的[1-10]方向有序排列。同时在相邻量子点间弹性相互作用能的作用下，还能自发形成沿[100]和[010]方向的排列，形成六角排列的量子点阵列。
基于图2所述的本发明利用InGaAs层自发的周期性应力调制定位生长量子点的示意图，图3示出了本发明提供的生长量子点材料结构的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤301：在GaAs衬底上生长厚度为200至300nm的GaAs缓冲层；
步骤302：在GaAs缓冲层上生长InxGa1-xAs阶变缓冲层；
步骤303：在InxGa1-xAs阶变缓冲层上生长厚度为200至400nm的InyGa1-yAs单一成分层；
步骤304：在InyGa1-yAs单一成分层上生长InAs量子点层。
上述步骤301中所述在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层的生长温度为600至610℃，生长速率为0.6至0.9μm/h，砷压为5×10-6至7×10-6托。
上述步骤301与步骤302之间进一步包括：生长停顿5至10min，同时将衬底温度降为400至430℃。
上述步骤302中所述在GaAs缓冲层上生长InxGa1-xAs阶变缓冲层的生长速率为0.4至0.6μm/h，砷压为4×10-6至6×10-6托，InxGa1-xAs阶变缓冲层中In含量x的变化速率为0.3至0.4/μm。
上述步骤302与步骤303之间进一步包括：生长停顿2至3min，同时将衬底温度升高至450至475℃。
上述步骤303中所述在InxGa1-xAs阶变缓冲层上生长InyGa1-yAs单一成分层的生长速率为0.4至0.6μm/h，砷压为4×10-6至6×10-6托。
上述步骤303与步骤304之间进一步包括：将衬底温度升至495至500℃。
上述步骤304中所述在InyGa1-yAs单一成分层上生长InAs量子点层的生长温度为495至500℃，生长速率为0.1至0.2μm/h，砷压为3×10-6至5×10-6托；当InAs量子点层为多层结构时，多层InAs量子点层之间的InyGa1-yAs间隔层的生长温度为450至475℃，生长速率为0.4至0.6μm/h。
依照上述图3所示的生长量子点材料结构的方法流程图，本发明提供的生长量子点材料结构的具体工艺过程为：
在GaAs衬底上生长200-300nm GaAs过渡层，生长温度为600～610℃，生长速率为0.6～0.9μm/h，砷压为5～7×10-6托。生长完GaAs缓冲层，生长停顿5～10min，同时将衬底温度降为400～430℃，开始生长上述InxGa1-xAs阶变缓冲层，生长速率为0.4～0.6μm/h，砷压4～6×10-6托。生长完阶变缓冲层，停顿2～3min，同时将衬底温度升高至450～475℃生长上述固定成分InyGa1-yAs层，生长速率为0.4～0.6μm/h，砷压为4～6×10-6托。然后衬底温度升至495-500℃，生长上述量子点层。量子点层InAs淀积温度为495-500℃，生长速率为0.1～0.2μm/h，砷压为3～5×10-6托。而多层量子点的间隔层生长温度为450～475℃。
基于上述图1、图2和图3所述的量子点材料结构、生长原理及生长方法，以下结合具体的实施例对本发明提供的量子点材料结构及其生长方法进一步详细说明。
实施例
在GaAs(001)偏2°衬底上在600℃下生长200nm厚的GaAs缓冲层，然后将衬底温度降到400℃生长InGaAs阶变缓冲层。阶变缓冲层共有九个亚层，每个亚层厚度为100nm，In组分以0.03的递增速率从第一个台阶的成分In0.03Ga0.97As变化到第九个台阶的In0.27Ga0.73As。随后生长10周期的In0.27Ga0.73As(10nm)/In0.27Al0.73As(10nm)超晶格结构。然后衬底温度升高到450℃，生长200nm厚的In0.24Ga0.76As层。衬底温度升高到500℃淀积2.8ML厚的InAs层形成量子点，然后温度降低到450℃生长50nmIn0.24Ga0.76As间隔层。InAs量子点和间隔层结构重复生长三个周期，最后衬底变为500℃生长表面量子点，厚度为2.8ML。样品结构如图4所示，图4为依照本发明实施例量子点材料结构的示意图。
如图5所示，图5为依照本发明实施例样品沿[1-10]方向观察获得的透视电镜暗场象。通过透射电子显微镜(TEM)观察可以看到超晶格以上InGaAs层部分出现的黑白相间的条纹，是由应力衬度产生，也就是InGaAs层出现了周期分布的横向应力调制。量子点能够以这种周期调制的InGaAs作为模版，形成沿[1-10]方向排列的量子点列。
如图6所示，图6为依照本发明实施例样品表面量子点AFM象；图片的两个边缘大致平行于两个垂直的<110>方向。表面原子力显微镜(AFM)象显示量子点呈现沿[1-10]方向的规则排列，同时自发形成沿[100]和[010]方向的排列，形成六角形排列的量子点阵列。图中右上角为AFM象的傅立叶变换所得图形，其清楚地表明了量子点的六角排列。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种量子点材料结构，其特征在于，该结构包括：
用于支撑整个量子点材料结构的砷化镓GaAs衬底(10)；
在GaAs衬底(10)上生长的外延层结构，包括缓冲层(11、12、13)和InAs量子点层(14)；
其中，所述缓冲层包括在衬底上依次生长的GaAs缓冲层(11)、InxGa1-xAs阶变缓冲层(12)和InyGa1-yAs单一成分层(13)，InAs量子点层(14)生长在InyGa1-yAs单一成分层(13)之上。
2.根据权利要求1所述的量子点材料结构，其特征在于，所述GaAs衬底为(001)临位面GaAs衬底，向[100]方向偏2至4°。
3.根据权利要求1所述的量子点材料结构，其特征在于，
所述GaAs缓冲层(11)的厚度为200至300nm；
所述InxGa1-xAs阶变缓冲层(12)的x从0至0.03变化到0.24至0.27；
所述InyGa1-yAs单一成分层(13)的0.24≤y≤0.27，且y≤x，InyGa1-yAs单一成分层厚度为200至400nm。
4.根据权利要求1所述的量子点材料结构，其特征在于，所述InAs量子点层(14)为单层或多层结构，
当InAs量子点层(14)为多层结构时，多层InAs量子点层之间以InyGa1-yAs为间隔层，InyGa1-yAs间隔层的厚度为30至50nm，每层InAs量子点层淀积厚度为2.4至2.8ML。
5.一种量子点材料结构的生长方法，其特征在于，该方法包括：
A、在GaAs衬底上生长厚度为200至300nm的GaAs缓冲层；
B、在GaAs缓冲层上生长InxGa1-xAs阶变缓冲层；
C、在InxGa1-xAs阶变缓冲层上生长厚度为200至400nm的InyGa1-yAs单一成分层；
D、在InyGa1-yAs单一成分层上生长InAs量子点层。
6.根据权利要求5所述的量子点材料结构的生长方法，其特征在于，步骤A中所述在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层的生长温度为600至610℃，生长速率为0.6至0.9μm/h，砷压为5×10-6至7×10-6托。
7.根据权利要求5所述的量子点材料结构的生长方法，其特征在于，所述步骤A与步骤B之间进一步包括：
生长停顿5至10min，同时将衬底温度降为400至430℃。
8.根据权利要求5所述的量子点材料结构的生长方法，其特征在于，步骤B中所述在GaAs缓冲层上生长InxGa1-xAs阶变缓冲层的生长速率为0.4至0.6μm/h，砷压为4×10-6至6×10-6托，InxGa1-xAs阶变缓冲层中In含量x的变化速率为0.3至0.4/μm。
9.根据权利要求5所述的量子点材料结构的生长方法，其特征在于，所述步骤B与步骤C之间进一步包括：
生长停顿2至3min，同时将衬底温度升高至450至475℃。
10.根据权利要求5所述的量子点材料结构的生长方法，其特征在于，步骤C中所述在InxGa1-xAs阶变缓冲层上生长InyGa1-yAs单一成分层的生长速率为0.4至0.6μm/h，砷压为4×10-6至6×10-6托。
11.根据权利要求5所述的量子点材料结构的生长方法，其特征在于，所述步骤C与步骤D之间进一步包括：
将衬底温度升至495至500℃。
12.根据权利要求5所述的量子点材料结构的生长方法，其特征在于，步骤D中所述在InyGa1-yAs单一成分层上生长InAs量子点层的生长温度为495至500℃，生长速率为0.1至0.2μm/h，砷压为3×10-6至5×10-6托；
当InAs量子点层为多层结构时，多层InAs量子点层之间的InyGa1-yAs间隔层的生长温度为450至475℃，生长速率为0.4至0.6μm/h。
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